Misura della velocita’ di deriva degli elettroni nella ... · Velocita’ di deriva degli...
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Misura della velocita’ di deriva degli elettroni nella miscela gassosa di un rivelatore di particelle a filo
P. Campana – M. Anelli – R. Rosellini
Urti random tra la particella e gli atomi di gas (cammino libero medio, l )
l= 1 /( n s )
s sezione d’urto di collisione, n numero medio di urti / cm
Ionizzazione Totale
Solo una frazione dell’energia persa dalla particella e’ spesa in ionizzazione. La quantita’ minima di energia necessaria per produrre una coppia e’ : W = L dE/dx (potenziale di ionizzazione)
Gas W(eV)
He 42.3
Ne 36.4
Ar 26.3
Xe 21.9
CO2 32.8
CH4 27.1
A seguito dell’emissione degli elettroni primari nel processo di prima ionizzazione, questi, con la loro energia cinetica provocano una successiva ionizzazaione secondaria (totale):
- elettroni emessi a grande energia (raggi delta)- diseccitazione di atomi metastabili raggi delta
Il valore di W dipende dal tipo di gas e dal tipo di particella incidente (ed in prima approssimazione non dalla energia della particella)
E, campo elettrico
Velocita’ di deriva degli elettroni
Gli elettroni (e gli ioni) urtano le molecole del gas e la loro direzione cambia continuamente: la velocita’ di deriva (“drift”, u) e’ minore della velocita’ tra un urto e l’altro (c) e sotto
l’azione del campo elettrico E diventa u = e E / m t
con t la distanza temporale tra un urto e l’altro
La velocita’ di drift dipende drasticamente dal tipo di atomi:- nei gas nobili gli urti di e- di bassa energia non ionizzano l’atomo e la sezione d’urto di assorbimento rimane alta (bassa u)
- nei gas molecolari, gli urti di e- di bassa energia eccitano gli stati rotazionali, gli e- perdono energia
avvicinandosi al minimo di Ramsauer della sezione d’urto (alta u)
Velocita’ di driftin varie miscele di Argon-Esano
Per una data miscela e per valori elevati del campo
elettrico, la velocita’ di drift non cresce ulteriormente (“satura”) e raggiunge un valore costante
Misura di posizione attraverso il drift
Misurare il tempo di drift degli elettroni nel gas per risalire
alla distanza del punto di passaggio della particella rispetto al filo (nell’ipotesi che la particella sia relativistica):t2 – t1 = r / u (r)
u (r) non e’ costante solo nella parte piu’ esterna del tubo a
drift ma lo e’ in tutta la zona centrale (u = 50 mm/ms)
Si otterra’ cosi’ una relazione quasi lineare tra t2 – t1 ed r (relazione r-t)
t1
t2
15 mm
r
8.5 mm
R
R=15 mmDiametro filo = 50 mm
1
2
3
4
5
Camere proporzionali a filo (MWPC)
Camera costituita da un piano di fili anodici (a +V0) posti tra
due catodi metallici a massa con spaziatura sNella zona lontana dal filo, il campo e’ costante
E= CV0/e0s
e gli elettroni derivano verso gli anodi sotto l’influenza del campo elettrico
In prossimita’ del filo, il campo elettrico e’ gradatamente piu’
intenso e assume la forma del condensatore cilindricoE= CV0/2e0s (1/r)
dove r e’ la distanza dal centro del filo
A causa della crescita del campo, gli elettroni subiscono una
forte accelerazione, aumenta la ionizzazione secondaria e si innesca una valanga che si forma a pochi mm dal filo
E’ l’innesco del processo di moltiplicazione/amplificazione che rende possibile la lettura
elettronica del segnale: gli elettroni (veloci) vanno al filo, gli ioni (piu’ lenti) migrano al catodo seguendo le linee di forza
Funzioni di una MWPC
Una MWPC puo’ adempiere ad una ampia gamma di funzioni:
• permettere di determinare con buona precisione il punto di
passaggio di una particella (bastera’ avere un passo dei fili
sufficientemente fitto, di qualche mm e avere una lettura per ogni filo). Se una serie di MWPC vengono messe in campo
magnetico, dalla misura del raggio di curvatura di puo’ determinare l’impulso della particella
• se la MWPC e’ operante in regime di proporzionalita’, potremoricostruire (dalla curva di Bethe Bloch e conoscendo la natura dellaparticella, ossia la sua massa) l’energia (E) che la particella aveva.Ma servono molte (N) misure indipendenti: d E/E ~ 1/(N)1/2
xx
x
xCampo Magnetico B
R ~ B/p
La misura del tempo di deriva
Discr. S1
Discr. S2
Discr. T1
Discr. T2
AND
START
STOP